[发明专利]基于稀疏谱拟合的水下声源位置及功率谱联合估计方法

权利要求书

1.一种基于稀疏谱拟合的水下声源位置及功率谱联合估计方法，其特征在于：采用阵元间距为设计中心频率对应半波长的M元垂直线列阵，估计方法步骤如下：

步骤1：在目标声源不存在时，测量试验水域的环境噪声，通过对接收的环境噪声进行功率谱分析，求得环境噪声的功率谱密度，将频率f上的PSD表示为σ²；

以海面上指向目标的水平方向为X轴、垂直阵所在直线为Z轴建立坐标系，水面以下为正方向，则声源位置表示为p＝(r,d)，其中r和d分别为目标到基阵的水平距离和目标的深度；

当试验水域存在目标声源时，基阵接收到快拍数为N的时域信号，对其进行傅里叶变换，则基阵接收信号在频域表示为：

y(f)＝h(p,f)s(f)+n(f)

式中，为基阵在频域的接收数据；s(f)为目标辐射噪声信号；为环境噪声；为位于p处声源到基阵上各阵元的声场传递函数；

步骤2：将包含目标的水域在深度和距离上离散化，各网格点位置表示为g_k，k＝1，2，…，K，式中K为网格点数目，且K＞＞M；

通过试验水域的声学参数和声学仿真软件AcTUP v2.2L中的Scooter&Fields模型计算各网格点到基阵的声场传递函数h(g_k，f)，k＝1，2，…，K，并构造矩阵：

设目标声源的位置p∈{g₁ … g_K}，定义一个信号矩阵：

x(f)＝[x₁(f) … x_K(f)]^T

式中：(*)^T表示转置，当g_k＝p时，对应的信号x_k(f)＝s(f)，否则x_k(f)＝0；

基阵接收信号的稀疏表示为：

y(f)＝Φ(G，f)x(f)+n(f)；

步骤3：接收信号的协方差矩阵为：

式中，(*)^H表示共轭转置；其对角线元素为不同位置声源的PSD；

所述为位于g_k处信号的PSD，构造向量：

由于试验中仅存在一个目标，则接收信号的协方差矩阵向量化为：

所述其中：vec(*)表示矩阵的行拉直向量；

所述其中：

所述

利用稀疏谱拟合方法估计目标的位置和辐射噪声的PSD：

s.t.min(P)≥0

式中，||*||₁和||*||₂分别表示向量的1范数和2范数；min(*)表示向量中最小项；β为正则化参数；

将得到的向量P按照网格位置组成距离-深度二维功率谱图，其中最大值位置即表示声源所在的位置，最大值即为辐射噪声在频率f上的PSD。

2.根据权利要求1所述基于稀疏谱拟合的水下声源位置及功率谱联合估计方法，其特征在于：所述正则化参数为β＝2Mσ²/N。